1981年，德国物理学家宾尼（G. Binnig）和瑞士物理学家罗勒（H. Rohrer）根据量子力学原理中的隧道效应合作发明了扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope,简称 STM）. STM是继场离子显微镜（FIM）和透射式电子显微镜（TEM）之后，第三种能够直接观察到单个原子成像的显微镜, 也是第一种能够在实空间获得表面原子结构图像的仪器.它克服了FIM和TEM对样品必须处于真空中的限制，可在大气、真空、甚至液体等自然环境中观察物体的表面形态.避免了生物样品因在真空中脱水而产生的假象，以及被高能电子束的辐照而损伤.使用STM，可以研究原子之间微小的结合能，制造人造分子；可以观察生物大分子，如DNA、RNA和蛋白质等分子的原子布阵，和某些生物结构，如生物膜、细胞壁等的原子排列，进行分子切割和组装术；可以分析材料的晶格和原子结构，考察晶体中原子尺度上的缺陷，加工小至原子尺度的新型量子器件. 1986年，宾尼和罗勒因发明了STM而被授予诺贝尔物理学奖.
【实验目的】
（1）了解STM的工作原理.
（2）掌握STM实验设备的搭建过程.
（3）能够使用STM扫描样品得到原子级分辨率的图像.
【实验内容】
（1）制备针尖，记录不同针尖的电流衰减情况.
（2）用STM扫描所提供的样品，调节相关参数，以得到清晰的原子级别的图像.
（3）对扫描所获得的图像进行分析，获得样品的表面结构信息.
【实验仪器】
AJ-Ⅰ型STM、探针、高序石墨、镊子、剪刀、丙酮溶液、防震动悬吊系统、扫描探针显微镜图像处理及分析软件系统.
【实验原理】
根据量子力学原理，在原子
、亚原子尺度下
粒子存在
波动性和不确定性
.
被束缚在势阱中的粒子有可能越过比自身能量高的势垒，这种现象称为隧道效应
.
金属中的自由电子就是被束缚在势阱中的粒子
,
在外界不提供能量或提供的能量不足以使电子能量超过材料的功函数
(
逸出功
)
时
,
仍有少量电子逸出
,
在金属表面附近形成
约为
1 nm
厚的电子云
.
这就给扫描隧道显微镜的隧道电流提供了基本条件
.
如图41-1所示，当样品表面和探针针尖的距离小于1 nm时，两者的电子云就会有重叠.此时若在探针和样品之间加上一定的电压，就会形成隧道电流.隧道电流的强度与针尖和样品之间的距离以及样品表面的势垒高度有关，其关系满足：
式中I为隧道电流， Vb为针尖和样品之间加的偏置电压，A为常数，在真空条件下约等于1，s为针尖和样品之间的距离，f为样品表面的平均势垒高度.从式(41-1)可知，I与s是指数关系，因此隧道电流对针尖样品之间的距离非常敏感.如果针尖和样品之间的距离变化10%，隧道电流则变化一个数量级. 可见，STM具有很高的灵敏度,通常可以得到具有0.01nm数量级的垂直精度和0.1nm数量级的横向分辨率图像.
STM使用金属探针，针尖曲率半径约为几nm到几十nm,通常采用的材料有钨丝、铂铱合金丝等.测量时，被测样品固定在一个可进行三维运动的压电扫描器平台上，如图41-2所示.当在针尖和样品之间加上偏置电压时，电子可以“隧穿”过间隙而形成隧道电流,隧道电流放大器将微弱的电流信号放大并输送到反馈电路中.反馈电路将电流信号转化为STM的图像信号，通过计算机在屏幕上显示出来,同时依据隧道电流的大小而控制压电扫描器的运动.
STM工作有恒定高度和恒定电流两种扫描模式.采用恒高模式时，保持压电扫描器平台的z坐标不变，只在x y平面上作水平运动.样品表面的起伏使间距s变化导致隧道电流I变化,采集在样品表面每个局域检测到的隧道电流数据，进而转化成形貌图像.恒流模式即保持I不变.系统通过调整样品和针尖的距离s达到目的.两种扫描模式各有利弊.恒高模式扫描速率较快，因为控制系统不必上下移动扫描器，但这种模式仅适用于相对平滑的表面.恒流模式可以较高的精度扫描不规则表面，但比较耗时.
【实验要求】
（1）实验准备
①仪器准备，在不接通电源的情况下把仪器各部件安装好.
②打开控制软件对显微镜进行校正.
③针尖制备，用丙酮溶液对针、镊子和剪刀进行清洁，剪出尖锐的针尖.
④安装针尖，插入时保证针与针槽内壁有较强磨擦力，以确保针的稳固.
⑤针尖检验，打开“IZ曲线”图，观察图象中的电流衰减情况，图象中曲线越陡峭说明针尖越好；反之，针尖越不好.
（2）利用STM检测样品，进行图像数据采集
①对高序石墨进行“阶梯扫描”.
②扫描出质量较好的阶梯后，用鼠标点击马达控制面板中的“连续退”，退到500步左右停止，然后悬挂防震.
③在线扫描，观察是否有较为清晰的原子形貌图出现.若无，调节扫描速率和旋转角度(一般此时调节扫描速率和旋转角度都可以出现较为清晰的原子形貌图)，旋转角度调节时先以15°一个阶梯进行角度旋转的粗调，然后再进行1°一个阶梯的微调.
④保存采集的图像数据.
（3）利用软件对图像进行处理和分析
①图像显示，根据采集数据显示三维图像和多重视图.
②图像处理，清除图像噪声线，对图像作平整化处理.
③对样品表面进行颗粒分析、深度分析和粗糙度分析.
【预习及报告要求】
（1）预习要求
认真阅读实验操作手册，查阅相关参考文献，在实验之前掌握相关的实验原理.了解不同的样品所使用的扫描模式，熟悉并牢记实验中的注意事项,严格按要求操作.
（2）报告要求
本实验为研究性实验，报告应以正式学术论文的格式提交.其中应该包括以下内容：论文题目（中英文），论文摘要（中英文），引言，实验设备和实验内容，实验结果与分析，结论，参考文献.
【分析讨论题】
（1）为什么实验中探针的针尖必须尖锐？
（2）扫描隧道显微镜可以扫描绝缘样品吗？为什么？
（3）哪些因素会影响实验结果，如何减少这些影响？
【参考文献】
1 陈成钧，扫描隧道显微学引论. 中国轻工业出版社. 1996.
2 彭昌盛，宋少先，谷庆宝.扫描探针显微技术理论与应用. 化学工业出版社. 2007.
3 余虹， 大学物理. 科学出版社（第二版）. 2008.
4 姚琲，扫描隧道与扫描力显微镜分析原理. 天津大学出版社. 2009.
该实验项目的虚拟仿真正在进一步的开发当中……
